基于LabVIEW的热分析仪器软硬件设计及功能介绍

国际热分析协会（ICTA）对热分析做出了如下定义：在程序温度下，测量物质的物理性质与温度的关系的一类技术。主要分为质量变化（TG）；温差（DTA）；长度，体积变化（DMA）等。我国的热分析仪器生产已有几十年历史，生产企业发展到七、八家，其仪器大多采用了北京光学仪器厂生产的卧式天平为基本结构。LabVIEW作为几年来兴起的一款功能强大的测控软件使用在热分析仪器上，对国产热分析仪器质量的提高有着巨大的推动作用。

2硬件传感器输人2.1传感器控温采用钻铭/铂热电偶――其分度号为S，正极是90%铂和10%铑的合金，负极为纯铂丝。这种热电偶的优点是能容易制备纯度极高的铂铑合金，因此便于复制，且测温精度高。其物理化学稳定性高，宜在氧化性和中性气氛中使用；它的熔点较高，故测温上限亦高，短期测温可达1600弋。

差热电偶采用纯铂做成试样托盘的方法与传统焊点式相比，这种方法采用增大与试样的接触面积的方法以提篼灵敏度。

2.2差热测量差热分析（DTA）是在程序控制温度条件下，测量样品与参比物（基准物，是在测量温度范围内不发生任何热效应的物质，如氧化铝等）之间的温度差与温度关系的-种热分析方法。在实验过程中，将样品与参比物的温差作为温度或时间的函数连续记录下来，即差热曲线。经传感器采集的差热信号要经过一个多极联的放大滤波电路，这里选用了具有低噪声，低温漂，高精度等特点OP07集成运算放大器对经热电偶得到微弱电信号进行两级放大，并用二阶有源滤波电路进行滤波。具体放大倍数则考虑把信号放大为适合AD转换器输入的电压信号。两极放大器上均可设计电位器以方便得到*适合的放大倍数。滤波后的信号经AD转换器接人单片机。在信号采集环节，我们抛弃了传统电偶联结方式。在两个点偶间另接一根地线，使得两个差热电偶有了一个公共的零电势点，这样可以更精确的得到两电偶间的电势差。

2.3热重测量热重法（TG）是在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的热析方法。热重法记录的热重曲线以质量（m）为纵坐标（从上到下质量减少），以温度（T或0）或时间（为横坐标（从左到右温度增加），即m-T（或0）曲线。热重曲线中质量（m）对时间⑴进行一次微商从而得到-T（或t）曲线，称为微商热重（DTG）曲线。热重曲线表达失重过程具有形象、直观的特点而与之相对应的微商热重曲线则更能精确地进行定量分析。

作为机械天平，在测量前需要对天平进行调零。

我们为了更好的调节天平线圈电压可以在接人线圈前采用电位器多级连的方法，但电位器*大阻值要拉开一点，至少相差5倍。在开始进行采集前（此时未进行调零），先采集热重信号，根据采集到热重信号进行调零，使放大电路输出为零。经3-4秒的时间延迟后（此段时间进行反复加减调零运算），再进行数据采集加热。

2.4数据处理为了更好地进行数据转换，我们可以采用外接A/D转换器。ADS1216是一款应用广泛的24位ADC.与传统十二位ADC相比它的转换精度更高。ADS1216的接口信号有SCLK、Din、Dout、CS、DRDY、A/D转换同步信号DSYNC以及内部缓冲器使能信号BUFEN.其中SCLK、Dut、Din分别连接在P020的，0.2、0.3、0.4，这三个引脚通过F020内部的SPI控制寄存器被配置为SPI通讯端口，P2.0连接ADS1216的CS片选端，P2.3连接ADS1216的BUFEN内部缓冲使能端，P2.1连接ADS1216的DRDY数据准备好信号端，P2.2连接ADS1216的DSYNCA/D转换同步信号端。为了得到稳定的转换结果，每次改变通道和发送同步信号前，应先增加一段延时，该延时时间应随AD采样频率和滤波方式的变化而变化。

2.5串行通讯设计上位机与下位机采用RS-232通讯接口RS-232使用正负电压来表示逻辑状态，在与1TL电平进行电平和逻辑关系的转换时采用的电平转换是MAX3223.MAX3223的外围电路要接五个电容，其取值按其外接电源的伏值来确定。为了与现有设备和软件的兼容，同时也为了简化上，下位机控制程序的编写，单片机与上位机之间只适用’RS-232接口中的3根线：RXD，T1CD，GND来连接。

3软件3.1上位机程序其它软件在编写监控程序时具有许多先天优势，比如编写方便，易读性强，特别是可以节约大量人力。上位机软件除控制下位机动作外还要把下位机采集的数据进行实时显示并作一些分析。在测试现场会出现许多难以消除的干扰，*后得到的曲线由于大量的野值会出现“毛刺”，因此要对得到的数据进行剔除野值和数据修正的处理。下图便是一种消除噪声的方法。

3.2下位机程序下位机程序采用C语言编写，在Keil公司下的Cx51编译器上进行编译。采用C语言编制下位机程序，即可提高工作效率又可以提高程序的可读性和可移植性。

下位机程序主要是由主程序和一些中断程序组成。主要包括一些变量和寄存器的设置，串口初始化和一些控制指令。是下位机程序设置流程图。

4应用实例北京光学仪器厂是我国*早生产热分析仪器的厂家，其产品有八大系列的十六个品种。于2007年3月投入量产的FRC-T型热分析仪器更是获得了第五届中国国际科学仪器及实验室装备展览会（CISILE）自主创新金奖。此仪器完全拥有自主知识产权，基本代表了我国热分析仪器生产的*高水平。

与传统热分析仪器相比，FRC-T把电控部分，气氛部分合二为一，节省了空间，并且实现了炉体升降的自动化。下面是FRC-T型热分析仪器的具体参数：温度范围：FRC/T差热测量范围：±HXXVV，无量程；热重测量范围：300mg，无量程；差热精确度热重精确度温度精确度：。lt：；天平主机真空度：2.5xlO2Pa.利用虚拟仪器技术开发数据采集和数据分析系统，实现特定模型与规则的构造、植人与优化；在虚拟仪器环境下实现智能测试分析方法的集成和系统的模块化设计、图形化显示及智能化分析处理，如：实现智能化曲线分析处理，实现微量化、联用化、快速化的切换控制与分析，自动调节控制加热速率，扩大温度校正范围等；设计嵌人式高速、低功耗、高集成度微处理器为核心的系统、高精度高可靠性的传感器系统、数字集成化控制测量系统等，保证仪器采样精度和速度，提高仪器系统稳定性、可靠性和集成化程度，增强抗干扰能力。在设计和不断的改进过程中，FRC-T实现了几项创新：针对用户反映在使用过程中老天平的吊带容易断裂的毛病，这次设计中仪器天平结构中采用尼龙吊带，有效的提高了使用强度，大大减少了产品维修成本，提高了仪器使用的可靠性。（该项技术已申请利用虚拟仪器软件及硬件资源，进行虚拟仪器的开发，开发平台的软件系统和接口系统，提供基于集总参数法和有限差分数值方法的算法或实现方法。

提供具有快速、准确以及完全开放的用户接口。

采用的加热理论为数字PID和模糊逻辑控制理论相结合的控制方法，使计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的*佳调整；保证仪器的精度及稳定性。

采用新型嵌人式篼速、低功耗、高集成度微机处理器为核心构成数字化电路系统，保证仪器采样精度和速度，提高仪器系统稳定性、可靠性和集成化程度，增强抗干扰能力。

国内的仪器研发生产过程中必须本着自主创新的理念，生产出具有自主知识产权的产品，才能对我国的仪器制造业起到推动作用，从而提高我国仪器生产的总体水平。

5结束语LabVIEW在热分析仪器中的使用简化了程序的编写，使操作界面更为友好节省了人力物力资源，在带来很好的社会效益的同时也给企业带来了良好的经济效益。

现代科学仪器20074